Medicina Nuclear, esquema general

Mrdicina nuclear

Una introducción general, las funciones de  diagnóstico y tratamiento

Medicina nuclear, introducción. La utilidad clínica

Radiofármacos

El primer paso en la medicina nuclear es disponer de "radiofármacos", moléculas que incorporan algún átomo radiactivo (del que procederá la radaición de interés diagnóstico o terapéutico) y que se pueden inyectar en el cuerpo y se difunden acumulándose en el tejido de interés.

Fabricación de radiofármacos

Hay muchos radiofármacos, y diversas técnicas de fabricación. Algún ejemplo:


Un modelo de ciclotrón para entender mejor el funcionamiento de estos aceleradores de partículas:

Gammacámara

Gammagrafía planar

Un ejemplo de uso, relativo a exploración pulmonar. Se ve como el tipo de información que se desea obtener proviene de las imágenes generadas por dos radiofármacos distintos.

De la misma serie de vídeos, sobre la generación del radiofármaco marcado con Tc (y que se utiliza en la exploración planar del vídeo anterior

SPECT

PET

Técnicas mixtas

El uso conjunto de PET y RMN


EL PET/CT (o TAC), que es como se utiliza prácticamente siempre

Escaez de radioisótopos y posibles vías de solución

 

Leer AQUÍ

MRI de cuerpo entero

Resonancia Magnética Nuclear. Intro

La resonancia magnética nuclear (RMN), a veces "desnuclearizada" en el nombre (RM) y en inglés "Magnetic Resonance Imaging" (MRI) es una técnica de imagen médica muy potente y, para que vamos a engañarnos, muy difícil de entender. En RX el fenómeno físico que está detrás de la imagen es la absorción de RX, en ecografía el eco de una onda sonora en la interfaz entre dos medios, fenómenos prácticamente evidentes. En este caso el fenómeno es el de la resonancia magnética nuclear, un fenómeno de esencia cuantica descubierto hace medio siglo.

Para no perderse es conveniente tener claro un esquema, el esqueleto del tema. Sería el siguiente:

1.- El fenómeno físico de RMN

   1.1.- La magnetización de un núcleo (de un protón)

   1.2.- La magnetización de un voxel (que contiene trillones de núcleos)

2.- Interacción de los momentos magnéticos con la radiación (adecuada)

   2.1.- Excitación (ojo, este es el fenómeno resonante)

   2.2.- Relajación

      2.2.1.- Relajación longitudinal (T1)

      2.2.2.- Relajación transversal (T2)

      2.2.3.- Dependencia de T1 y T2 del entorno químico, la información de interés médico.

3.- Secuencias de pulsos de excitación para obtener la información de un voxel

4.- Codificación de la información para recibir la señal de todos los vóxeles de un corte.

5.- Reconstrucción de la imágen

6.- Equipamiento necesario para realizar todo lo anterior.

7.- Otras consideraciones: interés clínico, calidad de imágen, efectos biológicos secundarios, precauciones de seguridad, evolución histórica, precios, problemas de instalación de los equipos, etc.

 En este esquema los puntos del 1 al 5 son necesariamente secuenciales, ya que cada uno se apoya en el anterior. En cambio los detalles del equipo (6) van apareciendo en las distintas fases, y se puede tratar en cualquier momento, si bien merece la pena hacer una reconsideración al final, ya que identificar los distintos elementos básicos (por ejemplo los 3 juegos de bobinas) y su función supone una buena comprensión de la globalidad del proceso.

En las demás entradas sobre este tema se trata el tema de diversas formas, desde pequeños vídeos introductorios hasta un curso completo con ejemplos reales de un equipo de demostración. Se incluyen también enlaces a simuladores que permiten profundizar en la comprensión de algunos conceptos. Es mucho material, pero es que el tema es complejo, y ver la misma idea expuesta por distintas personas a veces ayuda mucho a entenderla bien. Ese material hay que utilizarlo para ir rellenando con claridad los puntos del anterior esquema.

Como primera pieza de información, a continuación dejo las transparencias que utilizo en clase:

Im rmn-2012 13f from Joaquin Sevilla

La precesión giroscópica

Ayudas para visualizar la precesión del momento magnético:

La resonancia magnética

Ayuda para comprender el fenómeno resonante

 

Se puede jugar con este simulador, siempre que el ordenador tenga cargado el Java. El sitio es ESTE

Jugando con la magnetización

Un interesante simulador, permite visualizar lo que ocurre con el vector magnetización cuando se le aplica un pulso de radiofrecuencia. El autor ha preparado unos vídeos en los que se muestra como funciona:
- Video introductorio,
- Dinámica simple del spin
- Secuencia de pulsoso Spin-Eco
- Múltiples vóxeles
- Para acceder al simulador propiamente dicho AQUI

Por incrustar alguno de ellos, el de la secuencia Spin-Eco:

RMN, una introducción y un resumen

Aparte de los vídeos de Paul Callahan (ver más adelante), detallados y profundos, podemos ver esta divertida introducción al RMN y al RMN funcional:


Este segundo vídeo, mucho más aburrido, yo diría que no sirve para entender el fenómeno, pero si para repasarlo, es un buen resumen con todas las fórmulas implicadas:

RMN. Precesión y resonancia

Este es el primero de una serie de magníficos vídeos que explican la Resonancia Magnética Nuclear con una nivel de profundidad adecuado al curso, incluso excesivo en el gunas partes. Desde luego no trivial. De Paul Callaghan. La serie la componen 10 vídeos


II Una vez entendido el momento angular, se pasa a mostraro en el mundo cuántico

Curso de RMN de Paul Callaghan, vídeos 3 a 6

Curso de RMN de Paul Callaghan, vídeos 7 a 10

Lección introductoria de un curso sobre RMN (1 hora)

Esta es la clase inicial de un curso sobre RMN en Berkeley. El enfoque es el contrario a la mayoría, empieza por la utilidad, y no aparece el spin de los protones hasta el minuto 45. Enmarca la técnica magníficamente en el tema completo de la imagen médica (no hay más que ver como empieza) y en los usos clínicos de la técnica. Me parece un vídeo excelente.

Juegos y accidentes con el potente imán del RMN

RMN en tiempo real

¡Impresionante!

Merece la pena echarle un vistazo.

Eso si, deja abiertas algunas cuestiones para la discusión:
- ¿Cómo se pueden tomar imágenes en tiempo real?
- ¿Es compatible con los tiempos de exploración que conocemos?
- ¿Que restricciones se habrán tenido que cumplir (zona de exploración, resolución espacial, secuencia de pulsos...)?
- ¿El movimiento no afecta a la calidad de imagen?
- ¿Estaría cantando dentro del tubo?
-...
(el vídeo suelto en youtube)

RMN funcional muy sencillito

El sistema RMN, que en principio muestra estructura, puede utilizarse para medir función, es la "RMN funcional" (fMRI). Esta sería una introducción muy sencilla:

El MRI funcional desbanca al PET

Parece ser que en estudios sobre funcionalidad cerebral, campo que nació con la disponibilidad del PET, la aparición de la resonancia magnética funcional (fMRI) está progresivamente haciéndose la técnica preferida.

El artículo completo AQUI

Y el artículo científico en que se basa AQUI

Usos médicos menos conocidos del RMN

Además de la aplicación a la generación de imágeners médicas, el fenómeno físico de la Resonancia Magnética Nuclear proporciona múltiples aplicaciones en diversos campos. De hecho es una técnica relativamente estándar de análisis químico. En esta línea, se utuliza en medicina...

"La naciente disciplina científica que es la metabolómica hace uso, entre otras herramientas, de la RMN. Cada ser vivo es una fabrica de multitud de compuestos químicos. Como estos compuestos se producen en rutas metabólicas (conjunto de reacciones químicas que se producen en un ser vivo) los denominamos metabolitos. Cualquier pequeña variación en la concentración de esos metabolitos en un determinado ser vivo puede deberse a una disfunción y por tanto a una enfermedad del mismo. De ahí la importancia de la RMN en metabolómica para poder detectar estos compuestos y sus variaciones de concentración en sencillos experimentos. Así se podría llegar, por ejemplo, a diagnosticar con suficiente tiempo una determinada enfermedad. "

Leer todo el artículo en: http://mascienciapf.blogspot.com.es/2013/09/susceptibilidad-antimicrobiana-por-rmn.html 

por @hebusto en Más ciencia, por favor

TAC

Principios básicos, generaciones (evolución histórica):


El de 5ª generación, con el haz de electrones deflectado:


Una explicación pausada, con detalles históricos y unas animaciones excelentes:

Componentes del gantry (y su impresionante giro)

Generación de proyecciones y reconstrucción de la imagen

Sobre como una distribución bidimencional (el plano a reconstruir) genera proyecciones lineals (lo que van recogiendo los detectores) y cómo con esas proyecciones hay que reconstruir la imagen 2D. Importante que "sin filtro" funciona más o menos, pero para figuras simples, mientras que en volúmenes biológicos reales resulta en un emborronamiento muy grande. La incorporación del filtro a la retropropgación mejora las imagenes de forma espectacular:

Una visión general sin palabras:


Con detalle y explicación (en 8 minutos)


Y profundizando más en los tipos de filtros, diferentes alternativas y calidades de imagen (en 15 minutos):

Unidades de Hounsfield

Resumen
Esala relativa de coeficientes de absorción de los tejidos relativa a la del agua.
Sirve para poder elegir distintas ventanas y con ello ajustar la resolución de contraste al tipo de estructuras que se quieren visualizar.
Con los mismos datos (resultado de una exploración CT) se pueden obtener imágenes de muy distinto propósito diagnóstico cambiando la ventana de HU que se presentan


Un vídeo que lo explica

¿Es peligrosa la Tomografía Computadorizada?

 

Seguir leyendo es la ubicación original del artículo, AQUI, en Naukas

¿Qué dosis reciben los pacientes? ¿Están siempre justificadas? ¿Qué criterios hay que seguir para evaluar los riesgos de esta exploración? ¿Debe tener el hospital (o clínica) algún protocolo para asegurar la optimización de riesgos de esta técnica? Este artículo, breve para la cantidad de información que incluye, da respuesta a estas y otras preguntas relacionadas con el principal efecto secundario, la radiactividad, de esta técnica de diagnóstico tan útil como es el TAC.

Por cierto, a mi aún me suena rarísimo "computadorizada" en vez de la más tradicional "computerizada", pero parece técnicamente más correcta.

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Se puede profundizar más en esta cuestión. En este enlace dejo un vídeo (22 minutos) en el que se resume de forma extraordinaria una sesión de un congreso de 2011 sobre el estado de esta cuestión y las estrategias seguidas para la reducción de dosis. Es bastante técnico, solo lo recomiendo para quien quiera profundizar en algún trabajo o algo así, no para el curso normal de la asignatura.

Radicatividad. Introducción

Seguramente la radicatividad es el tema más fundamental y trnsversal de toda la asignatura que aquí nos ocupa: instrumentación de imágen médica y aplicaciones médicas de la radiación. Es por tanto el primer tema, y el que va a ocupar más tiempo.

En un primer vistazo, el papel de la radiactividad es paradógico: por un lado provoca problemas de salud, particularmente cáncer, pero por otro se utiliza para curar, especialmente cancer. No deja de ser sorprendente que la misma cosa, la radiactividad, produzca y cure la misma enfermedad (*) . Obviamente es muy importante conocer bien la naturaleza de la radiactividad para minimizar sus efectos perniciosos y maximizar los beneficiosos.

El tema de la radiactividad lo vamos a dividir en los siguientes apartados:

- Física nuclear (los procesos que producen radiaciones)

- Cuantificación: actividad, dósis.

- Efectos biológicos de la radiactividad

- Fuentes naturales y artificiales de radiactividad

- Protección radiológica

Podemos comenzar por revisar las ideas preconcebidas que se suelen tener sobre el tema y el análisis sobre si son correctas o no, en este estupendo vídeo de Varitasium:

Por cierto, sobre el asunto dle pátano y el potasio 40 que aparece al final del vídeo volveremos más adelante.

En las siguientes entradas etiquetadas "(1) Radiactividad" se incluyen algunos vídeos y otros recursos interesantes sobre los distintos que acabamos de enumerar.

 

En primer lugar, antes de profundizar en los detalles, a modo de "abstract", un resumen del tema en 12 ideas. Del blog "una docena de..." una docena de nociones sobre la radiactividad (AQUÍ). Para enmarcar el tema, AQUÍ una docena de aplicaciones de la energía nuclear, entre las que están el diagnóstico médico y la radioterapia.

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(*) A finales del siglo XVIII Samuel Hanemann propueso la idea de que "lo similar cura lo similar" algo que se puede considerar más o menos acertado en el caso de algunas vacunas o el de la radiactividad, pero que está muy lejos de tener carácter general, no es una ley de la naturaleza, aunque se le llame en ocasiones "ley de similitud de Hanemann". Obviamente, toda la supuesta medicina que se ha desarrollado otorgando validez a esa ocurrencia mística carece de cualquier valor científico.

Núcleos y desintegraciones radiactivas (1.1)

Los núcleos atómicos son agurpacions de protones y neutrones que se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte e "inestabilizados" por la repulsión electrostática que prodce la acumulación de cargas del mismo signo. No todos los núcleos son igual de estables, y se producen reacciones (algunas expontáneas otras inducidas) que los acercarán a sus mínimos energéticos. Algunas de estas reacciones son las responsables de que se hayan ido creando elementos en el universo como los que nos coforman a nosotros y nuestro planeta. Un proceso que resumió Sagan en la expresión "somos polvo de estrellas". Os recomiendo un texto en el que Juan José Gómez nos cuenta de forma sencilla "Cómo se formaron los átomos de mi mano".

Ya en vídeo, está muy bien esta introducción a la radiactividad y algunas ideas sobre los tipos de desintegraciones radiactivas en 10 minutos (y en inglés).

Para hacerse una idea más intuitiva de los tamaños relativos del átomo y su núcleo, o de estos respecto de objetos macroscópicos, hay algunos recursos espectaculares, como ESTE. De verdad que merece la pena dedicarle un rato a "jugar" ahí. Es interesante que se incluyen también para la comparación las ondas de longitudes de onda típicas del espectro electromagnético.

Fundamentos de radiactividad

Curso de nivel de bachiller (IGCSE) en vídeos de 10 minutos cada uno. Copio el primero y enlace a los demás:


An introduction to the basic concepts behind Radiation. Here we discuss exactly why atomic nuclei emit radiation, and we unearth how Isotopes can directly effect the instability of a nucleus. First in a series of videos on Radioactivity, and in the next video, we take a look at exactly what the nucleus radiates and how it does so.

ALPHA, BETA AND GAMMA RADIATION
http://www.youtube.com/watch?v=Qlb5Z8...

RADIOACTIVE HALF-LIFE
http://www.youtube.com/watch?v=_cpu5H...

NUCLEAR FISSION AND FUSION
http://www.youtube.com/watch?v=DvzXqa...

USES AND DANGERS OF RADIATION
http://www.youtube.com/watch?v=VR4jDg...

RUTHERFORD SCATTERING (GEIGER-MARSDEN) EXPERIMENT
http://www.youtube.com/watch?v=y5mO_u...


International General Certificate of Secondary Education (abbreviated IGCSE) is an internationally recognised qualification for students, typically in the 14–16 age group

Cuantificación de la radiación

El concepto de dosis (y sus distintos tipos) explicado muy clarito (5 min):

Efectos biológicos de la radiación

La radiación ionizante, por definición ioniza, cuando el electrón arrancado forma parte de un enlace éste se rompe. Así la radiación ha roto una molécula. Cuando las dosis son altas muchas moléculas se estropean y se produce la muerte celular, y con ella problemas somáticos graves más o menos instantáneos, son los "efectos deterministas de la radiación". Cuando las dosis son bajas, aunque no ocurra lo anterior, el daño en moléculas de ADN puede desembocar en mutaciones que conduzcan a cancer. Así, los "efectos probabilísticos de la radiación" consisten en el aumento de probabilidad de sufrir cancer, en ocasiones muchos años después de la exposición a la radiación. Todo esto explicado con mucha claridad en menos de 8 minutos:

Los efectos biológicos de las dosis muy bajas de radiación resultan controvertidos. Por un lado al ser efectos pequeños hacen falta muestras muy grandes de población. Por otro lado, la existencia de la radiación natural se mezcla con otras posibles dosis de ese nivel. Hay una teoría (hórmesis) que sostiene que las dosis bajas lejos de ser perniciosas son buenas para la salud. Sobre esto un texto (breve) que merece la pena leer y que tiene varias referencias es ESTE de Francis Villatoro.

Sobe la radiactividad natural (1.4)

La figura adjunta (procedente del material de un curso de la Universidad de California en Davis) resume esquemáticamente las diferentes fuentes de radiactividad, tanto naturales como artificiales. El radon del aire que respiramos es responsable de la mayoría absolunta, el 55%, y los rayos cósmicos de otro significativo 8%. Sobre estas dos fuentes de radiación natural merece la pena echar un vistazo a las siguientes fuentes de información:

I. El radon en el aire

El gobierno está estudiando promulgar una normativa para evitar la concentración de radon ambiental en viviendas situadas en lugares especialmente propensos: VER AQUI (Materia.es). La noticia contiene estudios y nombres que pueden servir para tirar del hilo y generar una documentación del tema mucho más extensa

Mapa de riesgo de exposición al radon en españa.

II. Exposición a la radiación cósmica en los aviones

Una web con un detallado "claculador" de radiación en vuelo:

http://www.sievert-system.org/WebMasters/sp/contenu_exposition.html

Información obtenida del trabajo de documentación web de Natalia García-Barberena (Curso 2012-13) 

III. Sobre la exposición interna se tata en la siguiente entrada

La radiación interna, el plátano y el potasio 40.

A la vista de dos figuras de las transparencias del curso (ver figura), el curso 2012-23 se nos planteó la cuestión ¿Cómo es posible que la dosis permitida sea menor que la natural?

La respuesta es que, lo que no está permitido es duplicar la dosis natural. Por encima de la dosis que ya recibimos como "público", solo se puede añadir 1mSv por año de actividades artificiales.

Como pacientes, recibimos esa dosis con 50 radiografías estándar. La gran mayoría de las exploraciones están por debajo de ese umbral. Pero no todas, recordemos que un TC de abdomen o pelvis supone una dosis de unos 10 mSv, 10 veces lo admitido para el público. Pero como pacientes no somos "público", la evaluación de la dosis admisible para un paciente es una consideración diferente que la de protección radiológica. Esta segunda es todo un cosrpus normativo (y de conocimiento) centrado en dos tipos de personas: "público en general" y "persona profesionalmente expuesta", es decir alguien que pasa por allí y alguien que trabaja allí, esos son los dos personajes paralos que hay que hacer todas las consideraciones de diseño de las instalaciones que utilizan radiactividad de forma que se garantice que esta permanece por debajo de determinados humbrales. El paciente es un tercer personaje, al que se le applica una radiación para conesguir un beneficio clínico, en este caso el criterio no es de minimización a ultranza (como en los casos anteriores), sino de equilibrio entre los efectos primarios (el beneficio clínico) y los secundarios (perniciosos) de la radiación. Sobre este tema hay más información en ESTA entrada, que discute los efectos secundarios del TAC.

A propósito de las fuentes naturales de radiactividad, siempre se habla de plátanos ¿por qué? A causa de que el K que hay en la tierra tiene un 0,0117% de K40, y este es radiactivo (emisor beta), el alto contenido en potasio de los plátanos les concede el record de lo más radiactivo de la vida cotidiana. Pero eso en realidad ¿qué significa? Algunos comentarios:

(i) El potasio de nuestro cuerpo, en equilibrio con el del ambiente, tiene un 0,0117% de K40, y comer un plátano ayuda a mantener el potasio total del cuerpo, pero si no es del plátano será de otras fuentes, y el organismo se mantiene con el mismo K, y por tanto con la misma radiactividad a grandes rasgos (este es el argumento principal mantenido aquí).

(ii) Si ingerimos una determinada cantidad de material radiactivo (como un plátano, pero podemos pensar también en un radiofármaco o cualquier otro producto radiactivo), y este permanece en el cuerpo un determinado tiempo (de decaimiento exponencial, caracterizado por un semiperiodo biológico de eliminación), ¿que dosis nos añade? No nos importa el intercambio con el material del cuerpo; el producto ingresa y egresa, y en el camino deja una "dosis equivalente absorbida" que nos gustaría conocer. ¿Cómo se calcula? Habrá que componer de alguna forma el tiempo de permanencia en el cuerpo (caracterizado por el período biológico) con la característica de desintegración del radioisótopo (caracterizado por su período de semidesintegración). De momento queda como problema.

En el asunto de la radiactividad de los alimentos, ni el plátano es el único, ni es un problema que se pueda reducir al potasio 40. No nos vamos a hacer especialistas en este problema, pero al menos que dispongamos de estas interesantes fuentes de información con más detalles sobre los plátanos, las nueces de Brasil y la radiactividad natural en general (de Idaho State University). Según parece, la wikipedia ifravalora la radiactividad del plátano porque solo considera el potasio, cuando según otras fuentes, hay otros elementos radiactivos que también hay que considerar.

Protección radiológica y el lugar más radiactivo del mundo

Un poquito propagandístico en el tono (para que sus pacientes no tengan miedo), pero los principios manejados, y los datos, son los que son:

Por otro lado ¿cuál es el lugar más radiactivo del mundo? es una pregunta interesante, y hay varios candidatos que a todos nos vienen a la mente. En el siguiente vídeo se analizan y se extraen interesantes conclusiones:

Instalaciones nucleares en España

En España hay 7 reactores nucleares actualmente en funcionamiento (y uno parado), pero estos son solo un pequeño porcentaje de las ~36.000 instalaciones radioactivas que hay en total. Si se hace el recuento detallado resulta que más del 90 por ciento de ellas son de uso médico (radiotrazadores, radioterapia), 755 de uso industrial, 189 para investigación y 84 para fines comerciales

Procedente del boletín de noticias del Foro Nuclear (aquí). El texto es de Microsiervos (aquí).

Historia del descubrimiento de la radiactividad

La historia de cómo se han llegado a saber las cosas que llevamos vistas hasta aquí es interesante. Por un lado es cultura general, por otro es importante para entender el tema en su dimensión social, especialmente siendo una tan historia reciente y un tema que tiende a malinterpretarse y generar ideas preconcebidas. 

(Media hora)

This lesson traces the historical journey leading up to the discovery of radioactivity by Becquerel and the isolation of radioactive isotopes by the Curies. It also considers why some isotopes undergo decay and examine alpha, beta and gamma decay. Examples of nuclear reactions are also given to show the relationship between parent and daughter atoms.

Medidores de radiación

Existen diversos tipos de detectores de radiactividad. La primera distinción que es necesario hacer es entre detectores pasivos (dosímetros pasivos) y detectores activos. Los primeros van acumulando radiación a lo largo del tiempo y cuando se leen dan el valor integrado, se utilizan para control radiológico de personal potencialmente expuesto a bajas dosis. Los segundos dan una lectura directa.

Algunos recursos para profundizar:
- Una página con información bastante detallada sobre sistemas de detección en general, aquí
- Sobre detectores activos, una breve descripción de tipos y principio de medida, aquí
- Sobre detectores activos, una presentación con cierto detalle:

25 -radiation_detection_&_measurement_i from murty61

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Texto del curso de supervisores de instalaciones radiactivas del CIEMAT (Mídulo básico), capítulo 5: Dosimetría de la radiación, dosimetría de la radiación externa.